淺談農林類高校“熱工基礎及流體力學”課程教學構建

楊風波 陳青 茹煜 姜洪 成鋒娜

摘?要：本文以農林類高校機械設計制造及其自動化專業為例，針對當前林業機械方向人才培養的專業性需求，結合“熱工基礎及流體力學”課程的特點，梳理目前課程教學中存在的典型性問題，淺談林業機械方向“熱工基礎及流體力學”課程的教學構建。針對課程教學理論部分和后期核心專業課銜接脫節的問題，提出了適合農林類高校機械設計制造及其自動化專業本科生的教學思路;從內容調整、結構優化、自主學習等方面對課程進行了課程構建探討;旨在加深學生對“熱工基礎及流體力學”課程的認知，充分調動學生對課程的學習興趣，提高課堂教學質量和教學效果，強化學生的終身學習意識。

關鍵詞：農林高校;熱工基礎及流體力學;課程教學;實踐創新

習近平主席在第七十五屆聯合國大會上莊嚴宣布，中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[12]。隨著我國對外環境及發展模式的深刻變化，作為“綠水青山就是金山銀山”[3]發展理念的支柱，農林高校的現代化進程催生了對林業機械方向人才新的需求和高的要求。國內以南京林業大學為代表的高等院校，結合“農林”背景特色，發揚踏實肯干、求真務實、精益求精、扎根大地的“林機精神”，為農林機械領域輸送了一大批“杰出匠才”[46]。

當前，在“綠色發展理念”深入人心的時代背景下，農林類高校迎來了很好的歷史發展機遇;同時社會和企業對農林類專業人才的需求更加重視質量，對人才的知識深度、廣度和對專業基礎課、專業特色課核心知識的實踐運用能力，均提出了更高要求。提高機械設計制造及其自動化專業學生林業裝備系統總體及其子系統技術的掌握程度，拓展學生在林業裝備系統上運用專業基礎課、專業特色課中核心知識的科研能力，是農林類高教工作者面臨的共同課題[4]。

1?課程教學剖析

1.1?課程內容

“熱工基礎及流體力學”這門課程是機械設計制造及其自動化專業的一門綜合性專業基礎課，是后續液壓與氣體傳動、泵與風機、林業機械等專業及特色專業課的重要基礎。課程目標包括：掌握工質的熱力學性質、熱力學第一定律、第二定律、熱工轉換的規律和理想氣體的熱力學過程，學會基本的理論分析與計算方法;通過對熱量傳遞的三種基本方式、導熱基本理論、對流換熱基本規律、黑體輻射基本定律等內容的學習，使學生具備對基本的傳熱學問題進行分析和總結的能力;掌握流體的主要物理性質和流體靜力學的基本理論知識，學會流體上的作用力分析，能夠推導流體動力學方程的連續性方程和伯努利方程，針對黏性流體，能對管內流動狀態進行判斷;能夠對“傳熱學”“工程流體力學”的實驗結果進行分析和解釋，通過實驗數據綜合分析工程中的現象及問題，并得到合理有效的結論。

總體來看，本課程講授內容包括工程熱力學、傳熱學以及工程流體力學三大板塊的內容，是在高等數學、大學物理、理論力學、材料力學的基礎上進行深化學習，拓展到實際的工程問題，所以本課程不僅理論性強，而且工程應用性也很強;與機械設計制造及其自動化專業其他課程相比，該課程涵蓋了本應三門獨立開設的課程內容，知識難點聚集、微積分公式眾多、三大知識板塊思維跨度大、學生融會貫通掌握難。但是，學生對課程內容的掌握程度直接影響后續專業特色課程的學習情況。

1.2?教學思路

目前，本課程總學時為48學時，理論授課42學時，實驗授課6學時。三大板塊的教學內容多，理論授課課時較少，矛盾突出：

（1）學生由固體學科切換到流體學科的學習需要較長適應期;

（2）課程中較多章節內容抽象，且涉及大量公式推導及專業的概念鋪墊，加之為了跟上教學進度教學內容更新較快，學生普遍反映課程難度較大;

（3）教學內容和后續專業及特色專業課內容銜接性不夠緊密;

（4）從內容的充實性和課程的結構上來看，“熱工基礎及流體力學”這門課程的教學內容已經滿足要求，但是對接林業機械領域最新技術，強化學生創新思維方面，當前的課程建構仍無能為力;

（5）由于本課程的學習不涉及具體的機械裝備系統，使得同學們對本課程在專業中的地位認知不足，學習積極性欠佳，這些現狀使得提升教學效果難度較大。

針對上述課程特點及教學現狀，結合農林類高校“機械設計制造及其自動化”專業的實際情況，制定了如下教學思路：

（1）授課時，使學生從機電系統、固體力學等學科的思維中切換出來，將空間觀測法跟同學們探討透徹，基于空間觀測法開展“熱工基礎及流體力學”的課程教學。

（2）在教學大綱中刪除過于抽象、應用面較窄的教學內容，深入講解與后續“液壓與氣體傳動”“泵與風機”“林業機械”等課程關聯度較深的內容，為專業及特色專業課的學習做好扎實鋪墊。

（3）結合在林業機械領域與“熱工基礎及流體力學”緊密關聯的科研經歷，探索寓教學于科研、科研反哺教學的授課模式，強化同學們對“熱工基礎及流體力學”在“機械設計制造及其自動化”專業里占有重要地位的基礎認知，顯著提升同門們自愿學習、自主學習的熱情。

（4）注重思維方式、終身學習意識的培養。教學過程中注重切入問題角度的講解，使得同學們在明白問題的同時更養成學習思考問題方法的習慣;從固體學科到流體學科是一個較大的跨越，在跨越的過程中，使同學們樹立終身學習意識，為以后培養同學們提出、解決林業機械領域學科前沿性、熱點性問題的能力打下堅實基礎。

2?課程構建探討

在“碳達峰、碳中和”的硬性發展要求及“綠水青山就是金山銀山”的發展理念加速推進的浪潮之下，農林高校“機械設計制造及其自動化”專業的畢業生在高等教育系統中的地位不斷提升，所以基礎專業課程構建更需獲得與之地位匹配的重視。一方面，基礎專業課課程構建要體現基礎知識的深度和廣度;另一方面，內容要很好銜接并服務于核心專業課、特色專業課，為學生后期畢業設計、研究生科研深造做好鋪墊。

2.1?課程內容深度銜接核心專業課

“林業機械”是南京林業大學“機械設計制造及其自動化”專業的核心專業課，內容涵蓋林業動力、整地、清理、苗圃、造林、撫育、保護、防火、采伐、采摘、智能化等機械。其中，和“熱工基礎及流體力學”專業基礎課相關的包括動力、清理、保護、采摘等板塊。林業動力機械（包括泵、風機）涉及“工程熱力學”中熱能和機械能之間的轉化問題，同時也涉及“工程流體力學中”可壓縮混合氣體壓強、溫度變化和裝置的動力匹配問題;林業清理機械涉及“工程流體力學中”不可壓液態水在管道內部的流動，在霧化器內的流態分布、出口后霧化粒徑分布等復雜多相流問題，如圖1所示;林業保護機械中噴霧射程、噴霧穿透涉及“工程流體力學中”可壓縮流體空氣的外部流動及耦合風場、霧滴的多相流動問題，如圖2所示;林業采摘機械中，基于負壓的采摘系統涉及可壓縮流體空氣的管內流動問題。

從銜接核心專業課的角度來看，一方面，農林類高校“熱工基礎及流體力學”這門專業基礎課程應該深耕“工程熱力學”和“工程流體力學”，而“工程流體力學”應該是重點中的重點;另一方面，也好兼顧課程內容的完整性，“傳熱學”也要適度調整。

2.2?匹配三大板塊關系，優化課程結構

建議協調、平衡三大板塊的課時占比，同時明晰課程內容的內在邏輯關系，在此基礎上進一步優化課程結構。

在“工程熱力學”（熱能的間接應用）板塊中，我們將實現熱力學能向機械能轉化的媒介稱之為“工質”，媒介一般是“單一氣體”或者“混合氣體”，熱力學第一定律、熱力學第二定律、工質熱力學性質及理想氣體的熱力過程等課程內容和專業核心課程林業機械吻合度較好。“工程流體力學”中，對流體的終結性定義是“抓不起來的物體”，一般性的定義是“氣體和液體”的總稱，但課程內容中流體基本概念的鋪墊、流體靜力學、流體運動學、流體動力學及黏性流體等課程內容都是基于不可壓的液體，同為流體，但氣體和液體的性質及研究重點相差甚遠，“氣體”這種流體相關課程內容的缺失為后續專業核心課程的學習帶來很大知識結構缺陷。“傳熱學”（熱能的直接應用）中，對導熱、對流傳熱（混合傳熱，主要是流體和固體之間）、輻射傳熱的基本原理、工程應用等課程內容做了比較詳細的講解，但是后續專業核心課程對傳熱學中的知識需求很少，僅僅在脈動燃燒技術這一研究領域有所涉及。

總體來看，不管是“工程熱力學”中的“工質”，還是“工程流體力學”中的“氣體”，再或者“對流換熱”中的“流體”，其中“氣體”是課程的“最大公約數”，也是和林業機械這一專業核心課程相關的“最大公約數”。

鑒于此，“工程熱力學”教學內容總體上可以維持不變，部分章節可以簡化，不重要的知識點減少不必要的推導，側重理論、公式概念的理解和應用，這樣可省出一部分課時。總課時不變的情況下可以合理縮減“傳熱學”的課時，對輻射傳熱只做一般性介紹;考慮到相似原理在流體力學的試驗研究中也有重要應用，可以在這里對相似準則進行深入講解，省出較多課時。將“工程流體力學”放在最突出的位置，省出來的課時分配給這一部分;增加可壓縮流體“漩渦勢流理論”“相似理論中的量綱分析法”、包括氣體動力學中“擾動在外空間流場中的傳播”及“管內氣體的流動”等內容，以匹配林業機械核心專業課。

2.3?樹立自主學習、終身學習意識

目前，流體力學板塊中關于可壓縮流體的課程內容匱乏，教學中會鼓勵同學們在MOOC上尋找優秀資源進行線上學習，使同學們樹立自主學習意識。通過工程流體力學板塊，我們在體力學的范疇內將研究運動的方法由拉格朗日法提升到歐拉法，這是一個顯著的改變，也是重要的進步，通過這一步，有助于培養同學們的終身學習意識。

結語

“熱工基礎及流體力學”是一門應用性較強的專業基礎課，與后續核心專業課密切銜接。針對三大板塊課程內容存在的知識難點聚集、微積分公式眾多、三大知識板塊思維跨度大、學生融會貫通難的問題，整理了教學思路;針對流體力學部分內容缺失導致和后期核心專業課銜接脫節的問題，從內容調整、結構優化、自主學習等方面對課程進行了課程構建探討。

參考文獻：

[1]楊博文.習近平新發展理念下碳達峰、碳中和目標戰略實現的系統思維、經濟理路與科學路徑[J].經濟學報，2021（9）：512.

[2]李干杰.以習近平生態文明思想為指導堅決打好污染防治攻堅戰[J].行政管理改革，2018（11）：411.

[3]王彥炯，張建華，李春生，等.安吉余村“綠水青山就是金山銀山”示范區土壤環境質量評價與分析[J].浙江農業科學，2021，62（09）：18261829.

[4]茹煜，危衛華，周宏平，等.校企協同培養工程類研究生的探索——以南京林業大學機械工程專業為例[J].中國林業教育，2021，39（03）：5860.

[5]曹福亮，劉英，王伊寧，等.面向新工科的工程專業實踐賦能教育路徑[J].昆明理工大學學報（社會科學版），2021，20（03）：8591.

[6]楊青，劉英，曹福亮.新農科背景下工程創新人才培養的路徑與啟示——基于N大學工程創新人才培養的實踐[J].高校教育管理，2021，15（06）：114124.

基金項目：國家自然科學基金項目（51705264）;水杉師資科研啟動項目（163040148）

作者簡介：楊風波（1987—?），男，博士，講師，主要從事精準施藥技術與裝備研究。